大沖裁間隙對(duì)中厚板沖裁力影響的研究

陳黎明，劉少華

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

大沖裁間隙對(duì)中厚板沖裁力影響的研究

陳黎明，劉少華

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

在30T萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上利用簡(jiǎn)易快換模具對(duì)厚度為5mm、8mm、10mm三種規(guī)格的Q235材料進(jìn)行沖裁試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果、沖裁變形過(guò)程、沖裁時(shí)板料的受力情況進(jìn)行分析，得出了大沖裁間隙對(duì)中厚板沖裁時(shí)沖裁力的影響規(guī)律，并提供了中厚板沖裁時(shí)降低沖裁力的方法，為中厚板的沖裁加工提供可靠的理論依據(jù)。

中厚板；沖裁間隙；沖裁力；降低沖裁力方法

中厚鋼板是指料厚為4～25mm的鋼板，被廣泛用來(lái)制造各種容器、爐殼、爐板、橋梁及汽車(chē)大梁、拖拉機(jī)等大型機(jī)械受力零件及焊接構(gòu)件等。目前，中厚板大部分采用切割加工，這類(lèi)加工存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定、斷面不平整并伴隨有過(guò)燒和嚴(yán)重粘渣現(xiàn)象，使得中厚板的運(yùn)用受到一定程度的限制。隨著現(xiàn)代沖壓技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，許多中厚板結(jié)構(gòu)件都嘗試采用沖壓生產(chǎn)，這不僅能保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿(mǎn)足零件的使用需要，還能成倍地提高生產(chǎn)效率，從而有效地降低生產(chǎn)成本。但目前中厚鋼板沖裁時(shí)普遍存在沖壓力大、斷面質(zhì)量差、凸模容易折斷等缺陷，使得沖壓的優(yōu)勢(shì)難以在中厚鋼板加工中發(fā)揮。而中厚板沖裁缺陷的產(chǎn)生跟模具間隙有著直接的關(guān)系，因而對(duì)模具間隙在中厚板沖裁時(shí)對(duì)沖裁力影響的研究，將有利于沖裁在中厚板生產(chǎn)中得到進(jìn)一步推廣。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

本次試驗(yàn)采用的中厚板材料為Q235，料厚分別為5mm、8mm和10mm，材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)備為30T萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

試驗(yàn)?zāi)＞卟捎煤?jiǎn)易模具，試驗(yàn)時(shí)，將模具在試驗(yàn)機(jī)外由人工將毛坯材料放入凸模6和凹模3之間，為保證凸、凹模在試驗(yàn)時(shí)的正確位置，導(dǎo)柱4應(yīng)超出凸模20mm，以保證10mm板料放入時(shí)，導(dǎo)柱已進(jìn)入凹模固定板2的導(dǎo)向孔10mm以上，更換凸模時(shí)，只要將凸模固定板5與上墊板7分開(kāi)，將凸模從固定板中取出即可。該模具采用人工卸料，以保證沖裁力不受卸料力的影響。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)采用的凹模刃口尺寸為φ15mm，凸模刃口尺寸分別采用φ13.5mm、φ13mm、φ12.5mm，無(wú)壓力裝置，每次沖裁完后，在試驗(yàn)機(jī)外由人工卸除工件和廢料，確保每次沖裁不受卸料力和推件力的影響。

表1 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2 結(jié)果分析

2.1 沖裁變形過(guò)程分析

由于沖裁間隙的存在，使得沖裁變形過(guò)程中伴隨有彎曲、拉伸等現(xiàn)象產(chǎn)生，變形過(guò)程較為復(fù)雜，且沖裁變形又是在瞬間完成的，為了便于分析，可將沖裁變形過(guò)程分為彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個(gè)階段。沖裁開(kāi)始時(shí)，由于凸、凹模間隙的存在，凸模作用在板料上的作用力使板料產(chǎn)生彈性壓縮、拉伸等變形，盡管此時(shí)凸模端面略擠入板料，板料另一端略擠入凹模，但當(dāng)外力撤除后，材料能恢復(fù)原狀。由于在沖裁過(guò)程中，板料處于自由狀態(tài)，因而凸模端部下面的材料略有彎曲，凹模刃口上面的材料開(kāi)始上翹，間隙越大，彎曲和上翹越嚴(yán)重。

隨著凸模的不斷壓入，材料內(nèi)部的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)其內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，便開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)由于模具間隙的存在，使得彎曲和拉伸變形程度增加，從而導(dǎo)致板料內(nèi)部的拉應(yīng)力增加，冷作硬化加劇，且在凸模和凹模刃口的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)尖角處材料的應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料在凸模和凹模的尖角處便產(chǎn)生微裂紋。

隨著凸模的不斷壓入，在凸模和凹模尖角處產(chǎn)生的微裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)兩處產(chǎn)生的裂紋在材料內(nèi)部對(duì)接時(shí)，板料便產(chǎn)生斷裂分離。

2.2 沖裁時(shí)材料的受力分析

沖裁時(shí)，變形區(qū)為凸、凹模刃口之間的板料部分，其變形主要以塑性剪切變形為主，同時(shí)由于間隙原因，還會(huì)出現(xiàn)拉伸、彎曲和橫向擠壓等變形情況。

沖裁時(shí)，板料一方面要承受凸模和凹模施加的正壓力，同時(shí)由于凸模與凹模之間間隙的存在，使得凸模和凹模施加給板料的正壓力不在同一直線(xiàn)上，由于此時(shí)板料受到這兩個(gè)力產(chǎn)生的彎矩的作用，因而造成板料不是純剪切變形，還要產(chǎn)生彎曲變形。由于彎矩的作用，使得凸模下的板料產(chǎn)生彎曲，凹模上的板料產(chǎn)生上翹，從而使凸模和凹模實(shí)際接觸的板料面積減少，僅限于凸模和凹模刃口附近窄小的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，其寬度約為料厚的1/5～2/5。故凸、凹模刃口部位單位壓力分布曲線(xiàn)相當(dāng)陡峭。

由于板料的彎曲，使得擠入板料的凸模側(cè)壁受到凹模面上材料的擠壓，擠入凹模的材料對(duì)凹模側(cè)壁也產(chǎn)生擠壓，根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系，凸模和凹模刃口的側(cè)面對(duì)板料也會(huì)產(chǎn)生反擠壓作用，形成對(duì)剪切面的側(cè)壓力。由于這對(duì)側(cè)壓力不在同一直線(xiàn)上，因而也會(huì)形成力矩，其方向與凸、凹模施加給板料正壓力產(chǎn)生的力矩相反，并在沖裁瞬時(shí)與之保持平衡，以阻止板料進(jìn)一步彎曲變形。在沖裁過(guò)程中，正壓力產(chǎn)生的力矩隨正壓力的增大而增大，使板料彎曲變形加大，這將使板料受到的側(cè)壓力隨之增大，由側(cè)壓力產(chǎn)生的力矩也隨之增大，阻止板料進(jìn)一步彎曲。因此自由沖裁時(shí)工件的不平整程度是有限的。

由于摩擦系數(shù)的存在，因而在板料與模具的接觸面上由于正壓力和側(cè)壓力的作用，還會(huì)產(chǎn)生摩擦力，有正壓力則必有摩擦力，其方向與板料相對(duì)模具端面滑動(dòng)的方向相反。由于正壓力比側(cè)壓力大得多，因而垂直方向的摩擦力對(duì)板料斷裂分離過(guò)程的影響要比水平方向的摩擦力大得多。

中厚板沖裁時(shí)，沖裁間隙與料厚的比值達(dá)到15%以上時(shí)，隨著模具間隙的進(jìn)一步增加，沖裁力略有降低，但對(duì)沖裁力的影響不大，這是因?yàn)樵诖饲闆r下沖裁時(shí)，板料彎曲變形程度增加，當(dāng)材料內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的剪切裂紋在彎曲拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，使材料撕裂而斷裂，因而斷面的光亮帶窄，斷裂帶寬，斷面錐度大。

3 降低沖裁力的方法

由于中厚板沖裁時(shí)的沖裁力較大，為滿(mǎn)足一些缺乏大噸位沖壓設(shè)備的企業(yè)能進(jìn)行中厚板的沖裁，需要從工藝角度采用降低沖裁力的措施。降低沖裁力的措施可以從兩方面著手，一是從如何減少同時(shí)沖裁的輪廓周長(zhǎng)，二是如何減少材料的抗剪強(qiáng)度。為此，有以下三種方法。

3.1 多孔階梯沖裁

對(duì)于多孔中厚板的沖裁，在設(shè)計(jì)凸模時(shí)，可將凸模成階梯布置，使得沖裁時(shí)凸模不同時(shí)進(jìn)行，從而避免了沖裁力最大峰值的出現(xiàn)，達(dá)到降低沖裁力的目的。在采用多孔階梯沖裁時(shí)，為避免小凸模折斷，小凸模的長(zhǎng)度應(yīng)比大凸模的長(zhǎng)度短些。

3.2 斜刃沖裁

對(duì)于大的中厚板件，可采用斜刃沖裁。這樣可以避免整個(gè)刃口周邊同時(shí)沖切材料，而是逐步地將材料切離，因而能顯著的降低沖裁力。至于凸模還是凹模做成斜刃，采用斜刃落料時(shí)，凸模應(yīng)為平刃，將凹模做成斜刃；沖孔時(shí)，則凹模應(yīng)為平刃，凸模為斜刃，從而保證工件平整。此外為保證沖裁時(shí)受力均勻，避免沖裁時(shí)模具承受單向側(cè)壓力而發(fā)生偏移，啃傷刃口，斜刃應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng)布置。

3.3 加熱沖裁

加熱沖裁是基于金屬材料隨溫度的升高，抗剪強(qiáng)度降低的原理，從而使沖裁力降低。此時(shí)，沖裁力按平刃沖裁力公式計(jì)算，但材料抗剪強(qiáng)度τ在沖裁溫度時(shí)的數(shù)值只有常溫下的1/3甚至更小。表2所列為鋼在加熱狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度。

表2 鋼在加熱狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度τ MPa

采用加熱沖裁時(shí)，加熱溫度應(yīng)注意避免金屬材料的藍(lán)脆區(qū)，以及在加熱過(guò)程中金屬的氧化、脫碳和冷卻變形等問(wèn)題。此外，在模具工件零件材料的選擇上，應(yīng)避免材料在交變溫度下的軟化和變形，因而要選擇熱沖模具材料，在卸料裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免橡膠等受熱軟化或融化的彈性材料。

[1]陳黎明，李淑寶.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社.北京.2012.8.

[2]康永林.中國(guó)中厚板產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)冶金.2012.9.

[3]李興成.中厚板尺寸問(wèn)題研究[J].陜西工學(xué)院學(xué)報(bào).2001.6.

TG386

A

1671-0711（2017）07（上）-0133-02

此文為衡陽(yáng)市2015年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目研究成果（2015KJ39）。